一種基于熱爆反應制備高純Ti2SnC陶瓷粉體方法與流程

本發明涉及一種Ti₂SnC陶瓷粉體制備方法。

背景技術：

Ti₂SnC是一種新型的三元層狀可加工陶瓷材料，因其兼具有金屬和陶瓷的優良性能，如：良好的導電性和導熱性，優良的抗氧化性和抗熱震性，低硬度(～3.5GPa)和較高的自潤滑性，以及較好的機械加工性等，而備受廣大材料科學工作者的青睞，成為研究熱點。由于Ti₂SnC具有較高的電導率[～14×10⁶(Ωm)^-1]，閆程科等[金屬學報,39(2003)99]將其作為增強相，采用粉末冶金技術制備Cu/Ti₂SnC復合材料，但在保持導電性的前提下，硬度有所降低。丁昱寰等[熱加工工藝,44(2015)143]采用熱壓燒結方法以(Ti₂SnC+TiB₂)為增強相制備Cu/Ti₂SnC+TiB₂復合材料，提高了材料的硬度。因此，Ti₂SnC在電機電刷、熱交換材料以及減磨耐磨部件等相關領域具有潛在的應用價值。

目前關于Ti₂SnC的合成主要為熱壓(HP)、自蔓延高溫合成技術(SHS)、熱等靜壓(HIP)以及無壓燒結等方法。H.Vincent等[Mater.Sci.Eng.A,56(1998)83]以Ti粉、Sn粉、C粉為原料，將Ti/Sn/C按化學計量比(2:1:1)利用無壓技術于在1250℃的條件下保溫1-4h合成了Ti₂SnC粉體材料。周延春等[Mater.Res.Innovat,6(2002)219]以Ti/Sn/C為原料在1250℃的溫度下熱壓燒結2小時合成了Ti₂SnC材料。李世波等[J.Am.Ceram.Soc,89(2006)3617]分別以Ti粉、Sn粉、C粉和TiC粉為原料利用無壓燒結在1200℃下保溫15-60min獲得Ti₂SnC粉體。從目前的研究情況來看，此類材料存在合成溫度高、加熱時間長、耗能高、成本高以及工藝復雜等缺點。極大的限制了陶瓷粉體材料的推廣和應用，很難形成工業化和產業化。

技術實現要素：

本發明的目的是要解決現有傳統熱爆反應制備的陶瓷粉體純度低的問題，而提供一種基于熱爆反應制備高純Ti₂SnC陶瓷粉體方法。

本發明一種基于熱爆反應制備高純Ti₂SnC陶瓷粉體方法，具體是按以下步驟完成的：

一、以鈦粉、錫粉和碳粉為原料，按照Ti:Sn:C＝2:(0.9～1.5):(0.8～1.5)的摩爾比，用乙醇作為分散劑球磨混合，得到混合后的粉末；二、將混合后的粉末放入真空烘箱中烘干，得到干燥后的粉末，將干燥后的粉末放入瓷舟中，再轉移至無壓燒結爐中，在無壓燒結爐中以升溫速率為10℃/min～40℃/min至進行熱爆反應，熱爆反應后無壓燒結爐內溫度繼續升溫至600～1300℃，并在溫度為600～1300℃下恒溫1h～4h，然后冷卻至室溫，取出后粉碎、過篩，即得到Ti₂SnC陶瓷粉體。

本發明優點：一、本發明Ti₂SnC陶瓷粉體的制備方法利用熱爆合成工藝，以低成本的鈦粉、錫粉和碳粉為原料制備出低成本、高純度的陶瓷粉體而且制備工藝簡單；二、與傳統的熱爆反應相比優點：1、此反應無需外加化學爐燃料引燃劑；2、熱爆反應與熱處理過程同爐進行，無需降溫后二次熱處理節約資源；3、此反應采用無壓燒結爐代替化學爐與空氣爐，保證了材料無氧化過程，無需加酸處理。三、本發明制備的Ti₂SnC陶瓷粉體純度達到90％以上，最高可達97.2％。四、解決現有傳統熱爆反應制備的陶瓷粉體純度低，且無需冷卻至室溫后再在進行熱處理，具有熱爆制備與熱處理同爐進行的優點。

附圖說明

圖1是試驗二制備的Ti₂SnC陶瓷粉體的XRD圖，圖中表示Ti₂SnC。

具體實施方式

具體實施方式一：本實施方式是一種基于熱爆反應制備高純Ti₂SnC陶瓷粉體方法，具體是按以下步驟完成的：

一、以鈦粉、錫粉和碳粉為原料，按照Ti:Sn:C＝2:(0.9～1.5):(0.8～1.5)的摩爾比，用乙醇作為分散劑球磨混合，得到混合后的粉末；二、將混合后的粉末放入真空烘箱中烘干，得到干燥后的粉末，將干燥后的粉末放入瓷舟中，再轉移至無壓燒結爐中，在無壓燒結爐中以升溫速率為10℃/min～40℃/min至進行熱爆反應，熱爆反應后無壓燒結爐內溫度繼續升溫至600～1300℃，并在溫度為600～1300℃下恒溫1h～4h，然后冷卻至室溫，取出后粉碎、過篩，即得到Ti₂SnC陶瓷粉體。

本實施方式熱爆反應機機理：將反應體系加熱到某一溫度而引發反應體系整體燃燒的合成方法；在原料被引燃時其溫度高達2000℃左右，根據實驗獲得Ti₂SnC的分解溫度為1300℃左右，所以在發生熱爆反應過程中會存在少量的Ti₂SnC分解成TiC和Sn，在降溫的過程中Sn以單質的形式析出，導致材料的純度降低，而別本發明方法采用的直接熱處理方法使Sn處于熔融的狀態進一步與TiC反應從而提高產品的純度，并且隨著溫度的提高可以促使瓷舟兩端未反應完全的中間相進一步合成Ti₂SnC進一步提高材料的整體純度。

隨著本實施方式步驟二的升溫速率的增加，樣品溫度越不均勻，樣品溫度相對爐溫滯后越大，導致臨界溫度向高溫區移動，減短材料在發生熱爆過程的時間，導致純度降低，所以升溫速率控制為10℃/min～40℃/min。

本實施方式保溫溫度及時間其目的是：隨著溫度的升高以及保溫時間的延長均能促使材料的純度進一步提高。

本實施方式步驟一所述的球磨混合過程中采用直徑為10mm的瑪瑙球為磨球，且球料比為10:1。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一的不同點是：步驟一中所述的鈦粉的粒度為300目，純度為99％以上；所述的錫粉的粒度為300目，純度為99％以上。其他與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二之一不同點是：步驟一中以鈦粉、錫粉和碳粉為原料，按照Ti:Sn:C＝2:1.5:1.1的摩爾比，用乙醇作為分散劑球磨混合，得到混合后的粉末。其他與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同點是：步驟二中熱爆反應后無壓燒結爐內溫度繼續升溫至800℃，并在溫度為800℃下恒溫1h。其他與具體實施方式一至三相同。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一或二之一不同點是：步驟一中以鈦粉、錫粉和碳粉為原料，按照Ti:Sn:C＝2:0.9:1.1的摩爾比，用乙醇作為分散劑球磨混合，得到混合后的粉末。其他與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式五的不同點是：步驟二中熱爆反應后無壓燒結爐內溫度繼續升溫至1000℃，并在溫度為1000℃下恒溫4h。其他與具體實施方式五相同。

具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一或二之一不同點是：步驟一中以鈦粉、錫粉和碳粉為原料，按照Ti:Sn:C＝2:1.1:0.8的摩爾比，用乙醇作為分散劑球磨混合，得到混合后的粉末。他與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式七的不同點是：步驟二中熱爆反應后無壓燒結爐內溫度繼續升溫至1300℃，并在溫度為1300℃下恒溫1h。其他與具體實施方式七相同。

具體實施方式九：本實施方式與具體實施方式一或二之一不同點是：步驟一中以鈦粉、錫粉和碳粉為原料，按照Ti:Sn:C＝2:1:1的摩爾比，用乙醇作為分散劑球磨混合，得到混合后的粉末。他與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式十：本實施方式與具體實施方式九的不同點是：步驟二中熱爆反應后無壓燒結爐內溫度繼續升溫至1200℃，并在溫度為1200℃下恒溫2h。其他與具體實施方式九相同。

本發明內容不僅限于上述各實施方式的內容，其中一個或幾個具體實施方式的組合同樣也可以實現發明的目的。

采用下述試驗驗證本發明效果

試驗一：一種基于熱爆反應制備高純Ti₂SnC陶瓷粉體方法，具體是按以下步驟完成的：

一、以鈦粉、錫粉和碳粉為原料，按照Ti:Sn:C＝2:0.9:1.0的摩爾比，用乙醇作為分散劑球磨混合12h，得到混合后的粉末；二、將混合后的粉末放入真空烘箱中，在溫度為60℃下烘干，得到干燥后的粉末，將干燥后的粉末放入瓷舟中，再轉移至無壓燒結爐中，在無壓燒結爐中以升溫速率為10℃/min至進行熱爆反應，熱爆反應后無壓燒結爐內溫度繼續升溫至1000℃，并在溫度為1000℃下恒溫4h，然后冷卻至室溫，取出后粉碎、過篩，即得到Ti₂SnC陶瓷粉體。

本試驗步驟一中所述的球磨混合過程中采用直徑為10mm的瑪瑙球為磨球，且球料比為10:1。

對試驗一制備的Ti₂SnC陶瓷粉體進行分析，可知試驗一制備的Ti₂SnC陶瓷粉體的純度為96.5％。

試驗二：一種基于熱爆反應制備高純Ti₂SnC陶瓷粉體方法，具體是按以下步驟完成的：

一、以鈦粉、錫粉和碳粉為原料，按照Ti:Sn:C＝2:1.0:1.0的摩爾比，用乙醇作為分散劑球磨混合12h，得到混合后的粉末；二、將混合后的粉末放入真空烘箱中，在溫度為60℃下烘干，得到干燥后的粉末，將干燥后的粉末放入瓷舟中，再轉移至無壓燒結爐中，在無壓燒結爐中以升溫速率為10℃/min至進行熱爆反應，熱爆反應后無壓燒結爐內溫度繼續升溫至1200℃，并在溫度為1200℃下恒溫2h，然后冷卻至室溫，取出后粉碎、過篩，即得到Ti₂SnC陶瓷粉體。

本試驗步驟一中所述的球磨混合過程中采用直徑為10mm的瑪瑙球為磨球，且球料比為10:1。

對試驗二制備的Ti₂SnC陶瓷粉體進行XRD分析，如圖1所示，圖1是試驗二制備的Ti₂SnC陶瓷粉體的XRD圖，圖中表示Ti₂SnC，通過圖1分析可知試驗二制備的Ti₂SnC陶瓷粉體的純度為97.2％。

試驗三：一種基于熱爆反應制備高純Ti₂SnC陶瓷粉體方法，具體是按以下步驟完成的：

一、以鈦粉、錫粉和碳粉為原料，按照Ti:Sn:C＝2:1.2:1.2的摩爾比，用乙醇作為分散劑球磨混合12h，得到混合后的粉末；二、將混合后的粉末放入真空烘箱中，在溫度為60℃下烘干，得到干燥后的粉末，將干燥后的粉末放入瓷舟中，再轉移至無壓燒結爐中，在無壓燒結爐中以升溫速率為10℃/min至進行熱爆反應，熱爆反應后無壓燒結爐內溫度繼續升溫至600℃，并在溫度為600℃下恒溫2h，然后冷卻至室溫，取出后粉碎、過篩，即得到Ti₂SnC陶瓷粉體。

本試驗步驟一中所述的球磨混合過程中采用直徑為10mm的瑪瑙球為磨球，且球料比為10:1。

對試驗三制備的Ti₂SnC陶瓷粉體進行分析，可知試驗三制備的Ti₂SnC陶瓷粉體的純度為95.4％。

試驗四：一種基于熱爆反應制備高純Ti₂SnC陶瓷粉體方法，具體是按以下步驟完成的：

一、以鈦粉、錫粉和碳粉為原料，按照Ti:Sn:C＝2:1.1:0.8的摩爾比，用乙醇作為分散劑球磨混合12h，得到混合后的粉末；二、將混合后的粉末放入真空烘箱中，在溫度為60℃下烘干，得到干燥后的粉末，將干燥后的粉末放入瓷舟中，再轉移至無壓燒結爐中，在無壓燒結爐中以升溫速率為10℃/min至進行熱爆反應，熱爆反應后無壓燒結爐內溫度繼續升溫至1300℃，并在溫度為1300℃下恒溫1h，然后冷卻至室溫，取出后粉碎、過篩，即得到Ti₂SnC陶瓷粉體。

本試驗步驟一中所述的球磨混合過程中采用直徑為10mm的瑪瑙球為磨球，且球料比為10:1。

對試驗四制備的Ti₂SnC陶瓷粉體進行分析，可知試驗四制備的Ti₂SnC陶瓷粉體的純度為90.3％。